模块化机器人开题报告

1、北京交通大学毕业设计（论文）开题报告题 目： 轮式与履带式教学机器人的模块化设计 学院： 机械与电子控制工程学院 专 业： 机械工程及自动化 学生姓名： 学 号： 文献综述：1.1发展背景： 从理论上来讲，机器人是一种柔性设备，它能通过编程来适应新的工作，然而实际应用中很少使用这种情况但传统的机器人都是根据特定的应用范围来开发的，虽然对那些任务明确的工业应用来讲，这种机器人已经足够满足实际需要了，然而由于市场全球化的竞争，机器人的应用范围要求越来越广，而每种机器人的构形仅能适应一定的有限范围。随着机器人应用在广度和深度上的发展，人们希望在简化机器人设计、减少结构构件和降低机器人成本的同时，增强

2、机器人系统性能，增加机器人功能和结构的多样性，所以在机器人学研究领域出现了可重构机器人的研究。可重构机器人是由功能简单而具有一定感知能力的模块化机器人有机连接而成。通常由一套具有不同尺寸和性能特征的模块组成，通过这些模块能快速装配出最适用于完成给定任务的机器人，以适应不同的工作环境和工作任务的要求。这种组合并非简单的机械组合，还包括控制系统的重组。1.2国内外现状：国外的第一台可重构机器人样机诞生于1988 年, 它是由美国卡内基梅隆大学机器人研究所研制的可重构模块化机械手系统( RMMS) .RMMS 不仅实现了机械结构的重构, 而且从电子硬件、控制算法、软件等方面实现了可重构, 在RMMS

3、 的基础上Khosla 等又做了进一步的研究工作. 通过对机器人机械结构、软件算法、通信系统等方面的改进, 于1996 年研制出了新型RMMS . 1988 年Fukuda 等从概念的角度提出了动力可重构机器人系统( DRRS) . DRRS 有许多具有基本机械功能的智能细胞组成, 每个细胞能根据任务自动地与其他细胞分离、组合, 构成机械手或移动机器人, 给予系统能自修理。1990 年在日本名古屋大学, Fukuda 等又研制出细胞机器人系统( CEBOT ) . CEBOT 是一种分布式机器人系统, 它根据环境的变化动态地重新配置结构, 从而达到最优结构. 其他学者还对这种体系做了进一步的研

4、究.1994 年美国Johns Hopkins 大学的Gregory提出了变形机器人系统. 该系统虽然也是由许多模块组成的, 但是其变形是在组成系统的模块保持连接后进行的, 并且能够自重构 . 1994 年日本的Murate 等提出并研制出了一种由多个可重构的装置组成的自动安装机械系统, 它具有对环境适应能力强、容错的特点. 1999 年, Murate 使用形状记忆合金研制出了自重构系统; 1998 年美国的Kotay 等提出了由机器人分子组成的可自重构机器人, 这种机器人能自动地重构成各种最佳形状, 以适应不同环境. 1999 年Doniela 和Rus 等又提出了一种由晶体结构分子组成的

5、可自重构机器人系统, 晶体结构分子通过扩张和收缩, 进行相对于其他分子的运动 .美国加州大学的CONRO 项目提出的分布控制机理来控制自重组步态, 为解决机器人的控制和自重构模块之间适应性交流以及多模块之间的协同, 使有计算能力的个体模块能得到相邻模块布局的局部信息, 提出用一些触发信号Hormones来协调运动。在应用上, 机器人模块向小型化方向发展, 在某些领域小型机器人将会取代体积更大、价格很高的机器人. 美国麻省理工学院的机器人专家受Rodeny 和Brooks 工作的启示发明了一种高尔夫球大小的机器人. 该机器人可以按照类似蚂蚁一样的方式搜寻食物, 相互间通过简单的光传感器进行联系,

6、 并集体做出决策. 在Rodney 和Brooks提出的基于行为控制的算法中, 每台机器人对本地刺激做出反应. 在这里没有中心计划, 没有主机器人, 机器人团队的能力表现为众多机器人模块互相合作的结果. 如在常规情况下每个机器人模块可以独立地完成任务, 但遇到障碍时, 他们可以组成一支蛇形机器人, 以便通过障碍. 另外, 各模块功能也可以不相同, 以任务驱动进行合理的组合, 以完成任务.我国在可重构移动机器人方面也做了一些研究. 在自组织变形机器人方面, 我国的仿蛇、仿鱼机器人也取得了一定的成绩, 但就研究水平来讲我国对可重构机器人特别是自重构机器人的研究还处于初级阶段.1.3研究内容：可重构

7、模块化机器人的研究内容十分广泛，包括借口机构研究、硬件结构研究和软件模块化研究等。（1）接口机构研究包括连接机构、驱动机构、电气机构和壳体设计。（2）硬件结构设计包括功能模块、微控制器、控制总线结构、通用移动平台和各种传感器模块的设计。（3）软件模块化研究包括可重构软件设计、开放式机器人构件、通信系统机制以及功能身份信息的识别。为了满足可重构机器人系统的功能，通常其模块的划分应符合几条基本原则：每个模块单元在功能上应具有独立性，可实现某一特定的功能；每个模块单元与其他单元之间的连接应尽可能的简单，机械接口连接应方便、快捷、可靠； 每个模块在运动学和动力学上应具有相对的独立性 可重构模块化机器人

8、构形设计的方法主要考虑以下三个问题：首先要确定构形的表达方法；其次就是确定构形的评价标准；最后采用适当的优化方法确定满足给定任务的最优构形1.4当前问题：目前，国内外众多的科研机构、公司都投入到模块化机器人的研究、设计、制造当中但现有的模块化机器人平台或多或少存在以下缺陷：(1)模块类型单一，能够搭建的机器人系统少；(2)模块的价格昂贵；(3)主动模块的输出力矩小，系统的性能不高；(4)没有完全实现硬件与软件的模块化以及硬件模块与软件模块的对应.。1.5发展方向：目前, 模块化可重构机器人系统的研究得到了广泛的重视, 主要集中在以下几个方面: a. 模块所具有的功能和结构. 主要研究构成机器人

9、各模块的结构特点及其功能. 对于同构系统可重构机器人主要研究模块间的自主连接及分离能力;各模块的动力及信息输入与输出能力; 模块关节的运动能力等. 对于异构系统可重构机器人主要研究因受目标结构的限定对各模块的功能如何划分. b. 目标结构的描述与形成. 主要研究内容有目标结构的描述与形成、多目标结构间的转换以及非目标结构的形成. 目前对于模块数量限、目标结构明确的可重构模块化机器人的目标结构的描述与形成已取得一些成果, 但对于多目标机构间的转换算法、变形方式及模块间的变形次序和根据不可预知的环境和工作来形成新的目标结构相关的变形理、变形规则、约束规则算法的研究还没有取得重大进展. c. 运动学

10、规律的研究. 目前在二维空间对于模块化可重构机器人系统通常不考虑重力及惯性力的影响, 但在三维空间和变形速度较快时则必须考虑重力及惯性力对系统的影响. d. 信息的获取和处理. 包括各模块的自身所需信息如何获取, 重构后各模块的信息如何重构特别是重构后发生相互干涉的信息如何理.可重构模块化机器人系统的研究已经引起了许多研究者的注意，目前仍需进一步研究的内容主要在以下几个方面：（1）可重构模块化机器人系统中模块的功能设计及实现方法包括机器人的功能分析和功能的分配，模块的软、硬件功能分析，模块描述方法的研究，软、硬件模块的设计，软、硬件模块自动或快速连接方法的研究（2）可重构模块化机器人的构形设计

11、包括机器人所需完成任务描述方法的研究，机器人构形表达方法的研究，机器人最优构形生成方法的研究（3）可重构模块化机器人的运动学和动力学研究应主要考虑软件的可重构性包括模块运动学和动力学的分析方法，分布式模块机器人运动学和动力学分析方法的研究（4）研究适用于可重构模块化机器人系统的可重构实时控制软件包括机器人控制模块的功能分析和划分方法的研究，软件重构方法的研究主要参考文献：【1】 司震鹏，曹西京，姜小放. 4自由度模块化机器人的设计 轻工机械 2009,08 【2】 王兵，蒋蓁模块化重构机器人技术的现状与发展综述J机电工程，2008，25(5)：1-4【3】 徐超. 可重构机器人研究的现状和展望

12、 华中科技大学学报 2004.10【4】 周学峰，江励，朱海飞，蔡传武，管贻生，张宪民.一个模块化机器人平台的设计. 华南理工大学学报(自然科学版)，2011,04【5】 周强强，关胜晓.可重够模块化机器人研究.计算机系统应用，2008，09.【6】 张玉华，赵杰，张亮，齐立哲，蔡鹤皋.新型模块化可重构机器人系统.机械工程学报，2006，05.【7】 费燕琼，董庆雷，赵锡芳.自重构模块化机器人的结构.上海交通大学学报，2005，06.【8】 费燕琼,张鑫,夏振兴.自重构模块化机器人的运动空间及自变形算法.机械工程学报,2009,03.【9】 刘明尧,谈大龙,李斌 .可重构模块化机器人现状和发展

13、.机器人ROBOT ,2001,03.【10】 李树军,张艳丽,赵明扬.可重构模块化机器人模块及构形设计.东北大学学报( 自然科学版),2004,01.【11】 王永甲. 可重构模块化机器人构型设计理论与运动学研究. 机械设计及理论, 20080526.【12】 张坛,杨国胜,钱志勤.章文俊基于模块化机器人原理的动态雕塑品.机械设计与研究,2009,10.【13】 石 磊,许明恒,邓维鑫,刘 波.PowerCube模块化机器人工作空间计算中国工程机械学报,2011,03.【14】 费燕琼,王 永,宋立博,王洪光.网格型自重构模块化机器人的对接过程.机械工程学报,2011.04.研究方案：1查阅

14、大量资料了解有关模块化机器人的发展现状。2进行轮式模块化机器人的总体机械布置的分析和设计。该平台将包括各种不同的模块，根本实际要求构造机器人。3对轮式模块化机器人进行分模块的设计。设计出机器人的不同模块，每种模块包括一系列大小和性能不同的子模块。包括车轮模块，底盘模块，连接模块，舵机模块以及功能模块。根据不同的场景和需求搭配出不同的机器人。4 进行履带式模块化机器人的总体机械布置的分析和设计。该机器人平台将由多种节式模块和连接模块构成。5 对履带式模块化机器人进行分模块的设计。设计出机器人的不同模块，每种模块包括一系列大小和性能不同的子模块。包括履带节模块、连接模块和功能模块。6预期成果：完成一套模块化机器人的完整设计。包括真题框架设计和每个模块的各